Se uma estrela (trilha vermelha) vagueia demasiado perto de um buraco negro (esquerda), pode ser dilacerada, ou esparguetificada, pela intensa gravidade. Algumas das partículas de matéria da estrela giram à volta do buraco negro, como água por um ralo, emitindo raios-X (azul). Estudos recentes destes chamados eventos de perturbação de marés sugerem que uma fração significativa do gás da estrela também é soprado para fora pelo vento intenso do buraco negro, em alguns casos criando uma nuvem que obscurece o disco de acreção e os eventos altamente energéticos que ocorrem no interior.
Crédito: NASA/CXC/M. Weiss
Em 2019, os astrónomos observaram o exemplo mais próximo até à data de uma estrela que foi dilacerada, ou "esparguetificada", depois de se aproximar demasiado de um enorme buraco negro.
Essa perturbação de marés de uma estrela semelhante ao Sol por um buraco negro 1 milhão de vezes mais massivo do que ela própria teve lugar a 215 milhões de anos-luz da Terra. Felizmente, este foi o primeiro evento do género suficientemente brilhante para que os astrónomos da Universidade da Califórnia, Berkeley, pudessem estudar a luz ótica da morte estelar, especificamente a polarização da luz, para saber mais sobre o que aconteceu depois da estrela ter sido dilacerada.
As suas observações de 8 de outubro de 2019 sugerem que muito do material da estrela foi arrancado a alta velocidade - até 10.000 km/s - e formou uma nuvem esférica de gás que bloqueou a maior parte das emissões altamente energéticas produzidas quando o buraco negro devorou o resto da estrela.
Anteriormente, outras observações visíveis da explosão, chamada AT2019qiz, revelaram que grande parte da matéria da estrela foi lançada para fora num vento poderoso. Mas os novos dados sobre a polarização da luz, que era essencialmente zero nos comprimentos de onda visíveis ou óticos quando o evento estava no seu ponto mais brilhante, dizem aos astrónomos que a nuvem era provavelmente simétrica em termos esféricos.
"Esta é a primeira vez que alguém deduziu a forma da nuvem de gás em torno de uma estrela 'esparguetificada'", disse Alex Filippenko, professor de astronomia na Universidade da Califórnia, Berkeley, e membro da equipa de investigação.
Os resultados apoiam uma resposta à razão pela qual os astrónomos não veem radiação altamente energética, como raios-X, em muitos das dúzias de eventos de perturbação de marés observados até à data: os raios-X, produzidos por material arrancado da estrela e arrastado para um disco de acreção em torno do buraco negro antes de cair para dentro, são obscurecidos de vista pelo gás soprado para fora por ventos fortes do buraco negro.
"Esta observação exclui uma classe de soluções que foram propostas teoricamente e dá-nos uma restrição mais forte ao que acontece ao gás em torno de um buraco negro", disse o estudante Kishore Patra, autor principal do estudo. "As pessoas têm visto outras evidências do vento a sair destes eventos, e penso que este estudo de polarização torna definitivamente essa evidência mais forte, no sentido de que não se obteria uma geometria esférica sem ter uma quantidade suficiente de vento. O facto interessante aqui é que uma fração significativa do material na estrela que está a espiralar para dentro não cai eventualmente no buraco negro - é soprado para longe do buraco negro."
A polarização revela simetria
Muitos teóricos têm colocado a hipótese de que os detritos estelares formam um disco excêntrico e assimétrico após a perturbação, mas espera-se que um disco excêntrico mostre um grau relativamente elevado de polarização, o que significaria que talvez uma pequena quantidade percentual da luz total seja polarizada. Isto não foi observado para este evento de perturbação de marés.
"Uma das coisas mais loucas que um buraco negro supermassivo pode fazer é dilacerar uma estrela pelas suas enormes forças de maré," disse o membro da equipa Wenbin Lu, professor assistente de astronomia na mesma universidade. "Estes eventos de perturbação de marés são uma das poucas formas de os astrónomos determinarem a existência de buracos negros supermassivos nos centros das galáxias e de medirem as suas propriedades. Contudo, devido ao extremo custo computacional na simulação numérica de tais eventos, os astrónomos ainda não compreendem os processos complicados após uma perturbação de marés."
Um segundo conjunto de observações no dia 6 de novembro, 29 dias após a observação de outubro, revelou que a luz estava muito ligeiramente polarizada, cerca de 1%, sugerindo que a nuvem tinha "emagrecido" o suficiente para revelar a estrutura assimétrica de gás em torno do buraco negro. Ambas as observações vieram do telescópio Shane de 3 metros no Observatório Lick, perto de San Jose, no estado norte-americano da Califórnia, que está equipado com o espectrógrafo Kast, um instrumento que pode determinar a polarização da luz ao longo de todo o espectro ótico. A luz torna-se polarizada - o seu campo elétrico vibra primariamente numa direção - quando se dispersam eletrões na nuvem de gás.
"O disco de acreção propriamente dito é quente o suficiente para emitir a maior parte da sua luz sob a forma de raios-X, mas essa luz tem de vir através desta nuvem, e há muita dispersão, muita absorção e muitas reemissões de luz antes de poder escapar desta nuvem," disse Patra." Com cada um destes processos, a luz perde alguma da sua energia fotónica, descendo até às energias ultravioleta e ótica. A dispersão final determina então o estado de polarização do fotão. Assim, ao medir a polarização, podemos deduzir a geometria da superfície onde a dispersão final acontece."
Patra observou que este cenário de leito de morte pode aplicar-se apenas a perturbações normais de marés - não a casos especiais, em que jatos relativistas de material são expulsos dos polos do buraco negro. Apenas mais medições da polarização da luz destes eventos vão responder a essa pergunta.
"Os estudos de polarização são muito desafiantes, e muito poucas pessoas em todo o mundo são suficientemente versadas na técnica para poder utilizar isto," disse. "Portanto, este é um território inexplorado para eventos de perturbação de marés".
Patra, Filippenko, Lu e o investigador Thomas Brink da UC Berkeley, o estudante Sergiy Vasylyev e o colega pós-doutorado Yi Yang relataram as suas observações num artigo que foi aceite para publicação na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Uma nuvem 100 vezes maior do que a órbita da Terra
Os investigadores calcularam que a luz polarizada foi emitida da superfície de uma nuvem esférica com um raio de cerca de 100 unidades astronómicas, 100 vezes mais longe da estrela do que a Terra está do Sol. Um brilho ótico do gás quente emanou de uma região a cerca de 30 UA.
As observações espectropolarimétricas de 2019 - uma técnica que mede a polarização através de muitos comprimentos de onda da luz - foram de AT2019qiz, um evento de perturbação de marés localizado numa galáxia espiral na direção da constelação de Erídano. A polarização zero de todo o espectro de outubro indica uma nuvem esférica e simétrica de gás - todos os fotões polarizados se equilibram uns aos outros. A ligeira polarização das medições de novembro indica uma pequena assimetria. Dado que estas perturbações de marés ocorrem tão longe, nos centros de galáxias distantes, aparecem apenas como um ponto de luz, e a polarização é uma das poucas indicações das formas dos objetos.
"Estes eventos de perturbação estão tão distantes que não podemos resolvê-los, pelo que não podemos estudar a geometria do evento ou a estrutura destas explosões," disse Filippenko. "Mas o estudo da luz polarizada ajuda-nos realmente a deduzir alguma informação sobre a distribuição da matéria naquela explosão ou, neste caso, como o gás - e possivelmente o disco de acreção - em torno deste buraco negro é moldado."
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